沥青混合料结构非均匀数值建模方法简介

胡小松，蔡 彰，李沛洪

(长沙理工大学交通运输工程学院 长沙市 410004)

沥青混合料结构非均匀数值建模方法简介

胡小松，蔡 彰，李沛洪

(长沙理工大学交通运输工程学院 长沙市 410004)

论述了沥青混合料材料的结构非均质模型重建的基本方法，对其非均匀数值建模的发展进行分析。

沥青混合料；数值模拟；数字图像处理技术；非均匀性

数值模拟已经被广泛应用在研究沥青混合料的细观力学性能，而数值建模是进行数值模拟的必要一步，日前非均匀数值建模方法在沥青混合料细观结构建模方面得以迅速发展，相对于均质模型，非均匀模型能够更好地模拟沥青混合料的性能，与沥青混合料的实际结构更接近，细观尺度数值模拟已被广泛应用于沥青混合料复合行为，如应力应变关系、破坏行为、变形和疲劳行为等。数值模拟的前提条件是细观模型重建。在早期阶段，沥青混合料被视为均质材料，随着模型重建技术的发展，非均匀模型在最近二十年得到了迅速的发展。非均匀模式的关键是分配给集料和基体(沥青胶浆)不同的材料属性。相比均相模型，异质模型与实际情况更一致，以使数值模拟的结果更加可靠。数值模拟是定量分析物理系统演化的方法，特别是对于集料为基础的沥青混合料的数值模拟，能够模拟集料之间的相互作用、变形、应力分布、裂纹萌生和扩展等。

1 基于数字图像处理技术(DIP)的模型

数字图像处理技术(DIP)就是利用CT扫描或高清数码拍照(CDD)等设备把物理图像转化成离散的数字图像，对数字图像进行各种变换及量测，并通过各种算法从数字图像中提取有用的信息。其主要内容包括图像采集与数字化、图像的压缩、图像的增强与复原、图像的分割和图像分析等。数字图像处理技术开始于20世纪20年代，由于其处理速度快、成本低、再现性好、精度高、灵活性高等特点，已在工程学、生物学、航空航天、医学、军事、文化艺术等多个领域取得了巨大的成功和显著的经济效益。

基于数字图像处理技术(DIP)的模型，通过CT扫描或高清数码拍照(CDD)而获得。主要包括三个步骤。首先，准备沥青混合料试件，即按照相关试验规范制作沥青混合料马歇尔试件、梁试件等,对于通过CDD高清数码拍照的需要对试件进行切割及磨平；然后，利用CT扫描或高清数码拍照(CDD)来获取沥青混合料试件的横截面或表面的数字图像，并对生成的数字图像进行锐化、均衡化等预处理。根据经验,可在集料与基体(沥青胶浆)的界面处做增强处理,以得到利于进一步分析的图像。在得到增强过的灰度图后,再利用阂值法,将灰度图转换成二值图,从而为图像识别做好准备。最后，将沥青混合料的各相的几何信息导入到ABAQUS、ANSYS等有限元软件中来重建一个数值模型。CDD高清数码拍照只能得到试样的表面上的信息，因此它仅用于重建的2D数字模型。相反，CT扫描可以获得样本的内部信息，所以它可用于3D模型重建。图1为典型的基于CT扫描的数字图象处理过程。

由图2可知基于数字图像处理技术的模型能够捕获各个阶段的沥青混合料内部结构的详细几何信息，但过程多、处理复杂，且涉及的集料数量大，导致其计算量大，因此其价格昂贵且耗时，并且该模型的精度也高度依赖于数字图像处理技术(DIP)。

2 计算机生成模型

不同于数字图像处理技术(DIP)的模型，计算机生成模型通过这两步来重建：生成相应数量的骨料和安置骨料在相应的位置，其中生成合适的骨料是关键。一般而言，它可以分为两种基本类型：用户自定义骨料模型和现实骨料模型。

2.1 用户自定义骨料模型

用户自定义模型一般把集料等效为圆或者椭圆(二维)和球或者椭球(三维)，一般以粒径2.36mm为界限划分粗、细集料，即粒径2.36mm以上的集料作为骨料，2.36mm以下的集料、矿粉、沥青等作为沥青胶浆及空隙。大量的研究表明将不规则集料等效为与原集料具有相同的最大弦长及面积的椭圆最为合理。这样一方面保留了不规则集料的尺寸效应,另一方面保证了获得的沥青混合料数字试件的集料体分比与原试件是一致的，其建模的具体过程如图3所示。

相对于直接基于数字图像处理技术(DIP)的模型，用户自定义骨料模型在一定程度下简化了模型，使得建模更为容易，且计算量有所减少，但这种方法的一个显著缺点是椭圆会丢失集料的部分几何特征，尤其是棱角和表面纹理。

2.2 现实骨料模型

现实骨料模型是利用CT扫描或者高清数码拍照(CDD)直接对集料进行图像的采集，得到集料的的数字图像及细观特征(如图4)，模型中骨料模型的形状与原集料形状非常相似，研究人员一直在寻求以产生模拟真实的沥青混合料几何形状骨料的模型。类似于基于CT扫描或者CDD高清数码拍照的沥青混合料试件的数字图像的获得，集料数字图像也可以通过CT扫描或者CDD高清数码拍照获得。相对于沥青混合料试件的CT扫描或者CDD高清数码拍照，直接对各骨料进行扫描生成的骨料模型可以重复使用，在其他设计参数改变的情况下不需要重新制作试件和模型，从而节约了时间和成本。其重点是把生成的骨料按照一定的规律放入到基体中，使得其放入的位置趋于合理，其骨料模型生成如图4及图5所示。

现实骨料生成模型能够较好地反映沥青混合料中骨料的形态，其只需对沥青混合料骨料进行CT扫描或者CDD高清数码拍照，而且骨料模型也能够重复使用，对于不同设计参数的沥青混合料试件，也不需要重新成型不同的试件，并分别对不同的试件进行CT扫描或者CDD高清数码拍照，从而大大节约了成本，且耗时也较少，其关键是能够把生成的骨料放入基体中合适的位置。

3 结论

(1)基于数字图像处理技术(DIP)的模型能够捕获各个阶段的沥青混合料内部结构的详细几何信息，但它成本较高，并且该模型的精度也高度依赖于数字图像处理技术。

(2)相对于直接基于数字图像处理技术(DIP)的模型，用户自定义骨料模型简化了模型和建模过程，且使得模型的计算量有所减少，但此方法的一个显著缺点是椭圆会丢失集料的部分几何特征，尤其是棱角和表面纹理。

(3)现实骨料模型只需对沥青混合料的骨料进行CT扫描或者CDD高清数码拍照，且骨料模型也能够重复使用，从而节省了时间和成本，其关键是能够使生成的骨料放入基体中的位置趋于合理。

(4)由于数字图像处理技术是影响模型重建质量的主要因素，因此数字图像处理技术的发展将成为未来的一个重要的研究课题。

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Brief Introduction of Heterogeneous Numerical Modeling Method for Asphalt Mixture Structure

HUXiao-song,CAIZhang,LIPei-hong

(School of Traffic and Transportation Engineering，Changsha University of Science & Technology, Changsha 410004, China)

The basic method for rebuilding heterogeneous model for the structure of asphalt mixture material is discussed, and the analysis on the development of heterogeneous numerical modeling is made.

Asphalt mixture; Numerical modeling; Digital image processing technique; Heterogeneity

1673-6052(2016)11-0039-03

10.15996/j.cnki.bfjt.2016.11.011

U414.7+5

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